一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法技术

本发明专利技术属于地下水砷污染处理领域，公开了一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，该方法是将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，搅拌反应至少4h，从而去除水体中溶解的砷；其中，地下水中所含的砷的浓度为0.1‑10mg/L，钙离子浓度为20‑2000mg/L。本发明专利技术以特定富钙且高砷的地下水作为待除砷对象，利用生物炭表面的氧化性活性基团将地下水中低价态的亚砷酸根氧化为高价态的砷酸根，生成的砷酸根与钙离子和生物炭形成将砷‑钙‑生物炭沉淀，充分利用了地下水中富钙且碱性的特点，有机的结合氧化和吸附手段实现一体化去除地下水中砷的目的，能够有效解决去除地下水中砷时现有处理方法普遍存在效率低效、运行成本高和操作复杂等问题。

A method of removing arsenic from groundwater rich in calcium and high arsenic by biochar

【技术实现步骤摘要】
一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法
本专利技术属于地下水砷污染处理领域，更具体地，涉及一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法。
技术介绍
砷是一种有毒、致癌的类金属，在世界范围内广泛分布于地下水，存在着潜在的饮用水砷污染问题。长期暴露于含砷环境会导致人体出现皮肤癌、肝癌，以及心血管等疾病。世界卫生组织将砷列为一类致癌物质。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中也将饮用水中砷的浓度标准由50μg/L降低到10μg/L。根据我国的地下水标准，至少有上千万人受到含砷污染地下水的影响，在我国北方干旱和半干旱地区的尤为突出。这些地下水无氧且富含钙离子，砷主要以低价态的亚砷酸盐(三价砷)的形式存在，毒性更高。因此亟待一种简单并有效的方法来去除高砷地下水中的砷。含砷水体主要处理方法有物理法、化学沉淀法和生物法，物理法主要有离子交换法、萃取法和膜分离法，处理效果好，但处理量小、价格昂贵，因此较难运用于含砷地下水这样水量巨大的地下水修复中；化学沉淀法是当前处理含砷废水用的最多的方法，但需要投加大量的化学药剂，易产生二次污染，不适用于地下水环境中砷的修复；生物法主要包括植物修复法和微生物富集法等，具有环境友好性，但所需微生物的存活条件十分苛刻，不适用于这种碱性、无氧和富含钙离子的环境。因此传统处理方法存在诸多问题且不能经济高效的解决高砷地下水问题。生物炭是在有机材料无氧热解的产物，其原料通常是稻壳、秸秆和椰壳等农林废弃物。由于其良好的吸附性能以及环境友好型被广泛应用于水体污染治理。例如，专利文献CN104549154A，公开了一种能安全吸附水体中镉的生物炭的制备方法；专利文献CN104785207A，公开了一种对重金属(铅、铬、锌和铜)高吸附性能生物炭及其制备方法。以上专利处理的重金属均是以阳离子形式存在。而砷在地下水中多以(亚)砷酸根阴离子形式存在，其性质与其他重金属离子有显著差异，因此需要将生物炭进行改性或制备更加符合要求的生物炭。专利文献CN104971697A，公开了一种用于去除水体中砷污染的磁性生物炭材料的制备及应用方法，基于负载纳米Fe3O4改性炭化谷壳颗粒，用于去除水体中砷污染，但在地下水环境中负载后的Fe3O4改性生物炭中铁会在微生物的作用下溶出，由于地下水环境是一个缺氧的还原环境，一旦铁释放出来，易被还原成Fe(II)，毒性较大，造成地下水的二次污染，同时纳米Fe3O4的负载过程比较复杂，需要盐酸、氨水和氯化铁等物质，增加了处理成本，因此改性生物炭不适用于富钙高砷地下水中砷的治理；同时，专利文献CN206645957U，公开了一种地下水除砷处理系统；专利文献CN103922446A，公开了一种地下水中三价砷的电化学氧化方法，以上专利方法运行成本较高，操作复杂。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，以特定富钙且高砷的地下水作为待除砷对象，向该地下水中投加生物炭，利用生物炭表面的氧化性活性基团将地下水中低价态的亚砷酸根氧化为高价态的砷酸根，生成的砷酸根与钙离子和生物炭形成将砷-钙-生物炭沉淀，充分利用了地下水中富钙且碱性的特点，有机的结合氧化和吸附手段实现一体化去除地下水中砷的目的，与现有技术相比能够有效解决去除地下水中砷时现有处理方法普遍存在效率低效、运行成本高和操作复杂等问题。本专利技术用生物炭去除富钙高砷地下水中亚砷酸盐，为地下水砷处理提供了简单高效，经济友好的去除方法。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，该方法是将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，搅拌反应至少4h，从而去除水体中溶解的砷；其中，所述地下水中所含的砷元素的浓度为0.1-10mg/L，钙离子浓度为20-2000mg/L。作为本专利技术的进一步优选，所述将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，具体是相当于向每1L的所述地下水加入1.5-3g干燥的生物炭，并且所述生物炭的粒径满足60-200目。作为本专利技术的进一步优选，所述地下水的pH值满足8～13。作为本专利技术的进一步优选，所述地下水中所含的钙离子与砷元素两者的质量比大于20：1。作为本专利技术的进一步优选，所述生物炭是以农林废弃物为原材料，在400-500℃、且隔绝氧气的条件下热解60-150min，冷却后，将所得固体用去离子水清洗得到的。作为本专利技术的进一步优选，所述清洗，是以每30g所述原材料，对应采用4L去离子水清洗2次，每一次是用2L去离子水清洗12h。作为本专利技术的进一步优选，所述冷却具体是冷却处理至少24h。作为本专利技术的进一步优选，所述农林废弃物具体为稻壳、水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆中的至少一种。作为本专利技术的进一步优选，所述搅拌反应优选是反应1-3天。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于将生物炭注入到碱性(pH>7.0)和富钙高砷地下水环境中，通过生物炭上氧化性活性基团将地下水中亚砷酸根氧化为砷酸根离子，再利用地下水富钙且碱性的特点，将液相中的砷变为砷-钙-生物炭沉淀，实现地下水中砷的原位去除。生物炭加入到待处理的地下水后，尤其可在隔绝氧气的条件下，实现水体中溶解砷的去除。本专利技术适用于碱性、无氧和富钙高砷地下水进行修复处理，尤其适用于对我国北方干旱和半干旱地区的高砷地下水进行处理，能够去除其中的砷元素。在北方干旱和半干旱地区，地下水中砷的存在形式是亚砷酸根阴离子，并且富含钙离子(我国北方干旱和半干旱地区，高砷地下水中钙离子含量通常在几十到几千mg/L范围，且地下水pH>7，为碱性，砷的含量通常在几μg/L至数十mg/L范围)，此环境下，亚砷酸根离子并不能同钙离子形成沉淀，本专利技术通过人为投加生物炭，将地下水中的砷氧化(亚砷酸根阴离子氧化为砷酸根阴离子)，进而促进砷酸根离子与地下水中富含的钙离子和投加的生物炭形成沉淀，从而达到地下水中砷去除的目的。本专利技术通过研究发现，针对钙离子浓度为20-2000mg/L的富钙地下水，通过简单的向水体中注入生物炭，即可实现水体中砷元素的去除。钙离子起到桥键的作用，能够显著提高生物炭氧化亚砷酸根为砷酸根的效率，加快砷酸根与钙离子和生物炭共沉淀的速率，对地下水中砷的去除有显著的促进作用；若钙离子的浓度低于20mg/L，则砷酸根离子不能沉淀，若钙离子高于2000mg/L，则容易形成氢氧化钙沉淀，与生物炭结合，覆盖在生物炭表面并与其氧化电位结合，对亚砷酸根的氧化产生不利影响，降低地下水中砷的去除效率。另一方面，生物炭注入浓度可优选在1.5-3g/L范围内(生物炭粒径为60-200目，即为0.250-0.075mm)，在此条件下生物炭能够将亚砷酸根全部氧化为砷酸根，从而保证砷酸根能够与钙离子和生物炭共沉淀，提高地下水中砷的去除率。此外，本专利技术中所采用的生物炭，是优选以农林废弃物(尤其是稻壳，水稻、玉米和小麦的秸秆)为原材料热解得到的。相比于动物粪便和尸体类生物炭，此类生物炭中氮和磷等营养元素含量较少，能够避免水体发生富营养化；相比于污泥生物炭，此类生物炭金属元素含量较少，能够避免发生水体的二次污染。并且，本专利技术更优选采用稻壳，或水稻、玉米和小麦等的秸秆作为热解制备生物炭的原材料，相比于椰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，该方法是将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，搅拌反应至少4h，从而去除水体中溶解的砷元素；其中，所述地下水中所含的砷元素的浓度为0.1‑10mg/L，钙离子浓度为20‑2000mg/L。

【技术特征摘要】
1.一种用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，该方法是将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，搅拌反应至少4h，从而去除水体中溶解的砷元素；其中，所述地下水中所含的砷元素的浓度为0.1-10mg/L，钙离子浓度为20-2000mg/L。2.如权利要求1所述用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，所述将生物炭加入到碱性、富钙高砷的地下水中，具体是相当于向每1L的所述地下水加入1.5-3g干燥的生物炭，并且所述生物炭的粒径满足60-200目。3.如权利要求1所述用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，所述地下水的pH值满足8～13。4.如权利要求1所述用生物炭去除富钙高砷地下水中砷的方法，其特征在于，所述地下水中所含的钙离子与砷元素两者的质量比大于20：1。5.如权利要求1-4任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈静，赵泽州，王琳玲，李鸿博，钟德来，任树鹏，尹文利，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42